电力电子技术习题解答

电力电子技术习题解答教材：《电力电子技术》，尹常永田卫华主编第一章 电力电子器件1-1晶闸管导通的条件是什么？导通后流过晶闸管的电流由哪些因素决定？答：当晶闸管承受正向电压且在门极有触发电流时晶闸管才能导通；导通后流过晶闸管的电流由电源和负载决定；1-2维持晶闸管导通的条件是什么？怎样使晶闸管由导通变为关断？答：晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极出发信号是否还存在，晶闸管都保持导通，只需保持阳极电流在维持电流以上；但若利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下，则晶闸管关断。

1-3型号为KP100—3，维持电流IH = 4mA 晶闸管使用在图1-32的各电路中是否合理,为什么？(暂不考虑电压、电流裕量)答：（a ）因为100250A H V I mA I k ==<Ω，所以不合理。

（b ）因为2002010A V I A ==Ω，KP100 的电流额定值为 100Ａ，裕量达５倍，太大了，所以不合理。

（c ）因为1501501A V I A ==Ω，小于额定电流有效值1.57⨯100=157A ，晶闸管承受的电压150V ，小于晶闸管的而定电压300V ，在不考虑电流、电压裕量的前提下，可以正常工作，所以合理。

1-4晶闸管阻断时，其承受的电压大小决定于什么？答：晶闸管阻断时,其可能承受的电压大小决定于制造工艺，也就是取决于基板的厚度、基板宽度、电击所掺的杂质的量大小。

1-5某元件测得V U DRM 840=，V U RRM 980=，试确定此元件的额定电压是多少，属于哪个电压等级？答：根据将DRM U 和RRM U 中的较小值按百位取整后作为该晶闸管的额定值，将两者较小的840V 按教材表取整得800V ，该晶闸管的额定电压为8级（800V ）。

1-6图1-10中的阴影部分表示流过晶闸管的电流的波形，各波形的峰值均为Im ，试计算各波形的平均值与有效值各为多少？若晶闸管的额定通态平均电流为100A ，问晶闸管在这些波形情况下允许流过的平均电流I dT 为多少？答：01sin ()2x m d m I I I td t ωωππ==⎰，2m I I == 1.572d I K I π=== , 1.57100157dt I A A =⨯=1-7有些晶闸管触发导通后，触发脉冲结束时它又关断是什么原因？答：晶闸管的阳极加正向电压，门极加正向触发脉冲时，晶闸管被触发导通。

此后阳极电流逐渐上升到擎住电流后，去掉触发脉冲，则管子继续导通，直到电流升到负载电流后，进入正常工作状态。

如果阳极电流还没有升到擎住电流值就去掉门极脉冲，则晶闸管就不能继续导通而关断。

1-8单向正弦交流电源，其电压有效值为220V ，晶闸管和电阻串联相接，试计算晶闸管实际承受的正、反向电压最大值是多少？考虑晶闸管的安全裕量，其额定电压如何选取？答：晶闸管所承受的正、反向电压最大值为输入正弦交流电源电压的峰值:220311.13V ≈，取晶闸管的安全裕量为2，则晶闸管额定电压不低于2311.13622V V ⨯≈。

1-9为什么要考虑断态电压上升率du/ dt 和通态电流上升率di/dt ？答：限制元件正向电压上升率的原因是：在正向阻断状态下，反偏的J2结相当于一个结电容，如果阳极电压突然增大，便会有一充电电流流过J2结，相当于有触发电流。

若du ／dt 过大，即充电电流过大，就会造成晶闸管的误导通。

如果电流上升太快，则晶闸管刚一导通，便会有很大的电流集中在门极附近的小区域内，造成J2结局部过热而出现“烧焦点”，从而使元件损坏。

1-10何谓单极型和双极型器件？答：双极型器件是指器件内部参与导电的是电子和空穴两种载流子的半导体器件。

单极型器件是指器件内只有一种载流子即多数载流子参与导电的半导体器件。

1-11双向晶闸管有哪几种触发方式？常用的是哪几种？答：Ⅰ+触发方式：T1极为正，T2极为负；门极为正，T2极为负。

Ⅰ-触发方式：T1极为正，T2极为负；门极为负，T2极为正。

Ⅰ-触发方式：T1极为正，T2极为负；门极为负，T2极为正。

Ⅲ-触发方式：T1极为负，T2极为正；门极为负，T2极为正。

触发方式常选（Ⅰ+、Ⅲ-）或（Ⅰ-、Ⅲ-）。

1-12试说明GTR、MOSFET、IGBT和GTO各自优点和缺点。

答：IGBT 开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小，开关速度低于电力MOSFET，电压、电流容量不及GTO。

GTR 耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题GTO 电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强，电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低。

MOSFET 开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。

1-13 GTO和普通晶闸管同为PNPN结构，为什么GTO能够自关断，而普通晶闸管不能？答：GTO和普通晶阐管同为PNPN结构，由P1N1P2和N1P2N2构成两个晶体管V1、V2，分别具有共基极电流增益α1和α2，由普通晶阐管的分析可得，α1+α2=1是器件临界导通的条件。

α1+α2>1两个等效晶体管过饱和而导通；α1+α2<1不能维持饱和导通而关断。

GTO之所以能够自行关断，，而普通晶闸管不能，是因为GTO与普通晶闸管在设计和工艺方面有以下几点不同：l)GTO在设计时α2较大，这样晶体管V2控制灵敏，易于GTO关断; 2)GTO导通时α1+α2更接近于l，普通晶闸管α1+α2≥1.5，而GTO则为α1+α2≈1.5，GTO的饱和程度不深，接近于临界饱和，这样为门极控制关断提供了有利条件; 3)多元集成结构使每个GTO元阴极面积很小，门极和阴极间的距离大为缩短，使得P2极区所谓的横向电阻很小，从而使从门极抽出较大的电流成为可能。

1-14某一双向晶闸管的额定电流为200A，问它可以代替两只反并联的额定电流为多少的普通型晶闸管？答：100A。

第二章电力电子器件的辅助电路2-1说明典型电力电子器件晶闸管、GTO、GTR、电力MOSFET和IGBT的对触发信号有哪些要求。

答：晶闸管：(1)触发信号通常采用脉冲信号，这样可以减小门极损耗。

(2)触发脉冲要有足够的触发功率。

触发脉冲电压、电流要在晶闸管门极特性的可靠触发区域内，并留有一定的裕量。

(3)触发脉冲要有一定的宽度和陡度。

触发脉冲宽度要保证触发后的阳极电流能上升到擎住电流以上，一般和负载性质及主电路形式有关。

触发脉冲前沿陡度大于l0V／μs或800mA／μs。

GTO：⑴导通触发，GTO触发导通要求门极电流脉冲应前沿陡、宽度大、幅度高、后沿缓。

一般要求前沿di G/dt≥5A/μs。

脉冲幅度为额定直流触发电流I g的5~10倍，脉宽为10~60μs。

在GTO导通期间，触发信号一直保持。

⑵关断触发，对门极关断脉冲波形的要求是前沿较陡、宽度足够、幅度较高、后沿平缓。

一般建议di G/dt取10~50A/μs。

门极关断负电压脉冲宽度应≥30μs，以保证可靠关断。

关断电流脉冲幅度应大于（1/5~1/3）I A TO。

关断电压脉冲的后沿应尽量平缓，否则，若坡度太陡，由于结电容效应，可能产生正向门极电流，使GTO导通。

GTR：⑴控制GTR开通时，驱动电流前沿要陡，并有一定的过冲电流（I b1），以缩短开通时间，减小开通损耗。

⑵GTR导通后，应相应减小驱动电流（I b2），使器件处于临界饱和状态，以降低驱动功率，缩短储存时间。

⑶GTR关断时，应提供足够大的反向基极电流（I b3），迅速抽取基区的剩余载流子，以缩短关断时间，减少关断损耗。

电力MOSFET：⑴触发脉冲的前后沿要陡。

，以保证其可靠开⑵触发脉冲电压幅值应高于电力MOSFET的开启电压U GS（th）（通常为±20V）。

通，但应小于其栅源极击穿电压U（BR）GS⑶为了防止电力MOSFET截止时误导通，应在其截止时提供负的栅源电压，该。

电压还应小于U（BR）GSIGBT：⑴保证栅极控制电压U GE的前后沿足够陡峭，减少IGBT的开关损耗。

栅极驱动源的功率也应足够，以使IGBT的开、关可靠，并避免在开通期间因退饱和而损坏。

⑵要提供大小适当的正反向驱动电压U GE。

一般选U GE为12~15V。

负向偏压（-U GE），一般取-5~-10V。

2-2说明GTO门极驱动电路包括哪几部分？答：GTO门极驱动电路包括开通电路、关断电路和反偏电路。

2-3分析教材中图2-8 GTR基极驱动电路的工作原理，分析图中二极管VD2的作用。

答：图2-8电路的工作原理如下当输入的控制信号u i为高电平时，晶体管V1、光耦合器B及晶体管V2均导通，而晶体管V3截止，V4和V5导通，V6截止。

V5的发射极电流流经R5、VD3，驱动GTR，使其导通，同时给电容C2充上左正右负的电压。

C2的充电电压值由电源电压U CC及R4、R5的比值决定。

当u i为低电平时，V1、B及V2均截止，V3导通，V4与V5截止，V6导通。

C2通过V6、GTR的e、b、VD4放电，使GTR迅速截止。

之后，C2经V6、V7、VD5、VD4继续放电，使GTR的b、e结承受反偏电压，保证其可靠截止。

电路中，C2为加速电容。

在V5刚刚导通时，电源U CC通过R4、V5、C2、VD3驱动GTR，R5被C2短路，这样，就能实现驱动电流的过冲，且使驱动电流的前沿更陡，从而加速GTR的开通。

VD2（称箝位二极管）、VD3（称电位补偿二极管）和GTR构成了抗饱和电路，可使GTR导通时处于临界饱和状态。

当GTR因过饱和而造成集电极电位低于基极电位时，箝位二极管VD2就会导通，将基极电流分流，从而减小GTR的饱和深度，维持U bc≈0。

而当负载加重I C增加时，集电极电位升高，原来由VD2旁路的电流又会自动回到基极，确保GTR不会退出饱和。

2-4分析教材中图2-12 IGBT栅极驱动电路EXB841的工作原理，分析图中二极管VD2的作用。

答：图2-12电路的工作原理如下：⑴IGBT的开通当14与15两脚间有开通信号时，光耦合器B导通，图中A 点电位下降使V1、V2截止。

V2截止导致B点电位升高，V4导通，V5截止。

EXB841通过V4和栅极电阻R G向IGBT提供电流使之迅速导通。

⑵IGBT的关断当14与15两脚间为关断信号时，B截止，V1、V2导通，使B点电位下降，V4截止，V5导通。